罗书克，李珍萍

(1.许昌学院 电气与机械工程学院，河南 许昌 461000；2.中央储备粮许昌直属库有限公司，河南 许昌 461000)

随着社会的发展及科技进步，粮食储藏系统的智能化、绿色化要求逐渐提高，而粮食储藏中需要采集的数据信息量大，被控对象多.原有的信息采集及控制系统中，均为通过电缆进行数据采集及传输，这造成了可靠性低、安全隐患大等问题，对粮食储存管理极为不便，对控制的实时性也不合要求.针对这种情况，在对整个仓储状况的调查基础上，设计了基于LoRa的无线数据采集、传输及智能控制系统，分别实现对仓内信息进行自动检测、数据自主传输、被控对象受控运行.

1 系统框架及设计方案

粮食仓储系统中需要周期检测粮食内部温度和空间内外部环境的温湿度情况，根据检测到的数据进行分析处理，达到一定限值和环境条件时，将自动采取相应的通风降温、除湿等措施[1].其系统架构如图1所示.

图1 系统架构

系统中由数字温度传感器多点采集粮食内部温度信息，同时通过温湿度传感器采集粮仓内、外部环境温湿度信息，把采集到的信息分别通过LoRa无线发射电路给集中单元[2]，在集中单元内部有接收电路，接收电路把接收到的各种信息传输给中央处理单元，中央处理单元把接收到的这些信息再次通过LoRa无线发射模块发给监控中心，同时中央处理单元对这些信息进行处理，当满足下面的条件时，其发出指令给执行机构做出相应的控制动作[3].

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2 硬件设计

硬件部分主要包括温湿度信号采集、无线发射电路、接收处理电路、中央处理电路、驱动电路、电机控制电路等几部分.

2.1 信号采集电路

信号采集电路包括粮食内部温度信号采集、仓内、外环境温湿度采集.采集原理基本相似，分别通过温、湿度传感器进行采集.粮食内部的温湿度信号是多点采集，需要用到信号的级联采集，通过地址进行识别，而仓内外环境温湿度信号只有一个温湿度信号，相对来说采集电路简单.仓内外环境温湿度采集传感器采用霍尼韦尔的数字式一体化传感器HIH-6130，具有14位湿度传感器和温度传感器，采集精度高、温漂小、功耗低等特点.环境温湿度采集电路如图2所示，粮食内部温度信号采集如图3所示.

图2 仓内外环境温湿度信号采集电路

图3 粮食内部温湿度信号采集电路

粮仓内外环境信息各需要一路温湿度信号，粮食内部的温湿度状况，需要检测多点的温湿度信息，需预先把温度传感器预置于粮食内部，这些传感器通过总线形式连接在一起，然后再连接无线发射控制系统把采集到信息发射出去.

2.2 发射、接收电路

发射、接收电路采用SX1278半双工通信电路，采用LoRa远程调制解调器，用于超长距离扩频通信，抗干扰能力强、功耗低等特点[4].工作电路如图4所示.

图4 LoRa收发电路

温湿度信号全部采用的是数字传感器，直接和MCU相连，当MCU采集到各种温湿度信号后，通过通信接口把数据传送给LoRa模块SX1278，SX1278通过射频输出端把信号发射出去[5]，同时SX1278也可以接收外部发射过来的数据信息.图中RX/TX用来进行收发控制，SCK、MISO、MOSI主要用来进行数据传输时分别提供时钟信号及数据输入和输出信息，NSS为片选信号[6].

2.3 电机驱动控制电路

当检测到粮食内部温度达到通风条件时，且室外环境温湿度也满足通风条件，由MCU发出指令，控制电机驱动各个粮仓上、下通风口自动打开，通风窗口打开后被系统检测到，控制上下通风风机启动，在通风过程中，系统实时检测各点温湿度变化情况，如果通风条件不满足或者达到了通风结束条件，会控制通风风机自动停止，关闭风口门窗.该系统也可以通过上位机远程控制通风的启动和停止.操作上位机的控制按钮，通过无线传输系统把开停指令发送给MCU，MCU接收到信息，会启动相应的动作.实现电路如图5所示.MCU采集到信息满足电机启动或停止条件时，就会分别控制Q1或Q2，Q1工作，将会使电机启动运行，Q2工作将会使电机停止运行.图中S1、S2为通风门窗位置开关，K1、K2为电机工作与停止的控制继电器，KM1、KM2分别为控制门窗开关的控制接触器.

图5 电机驱动控制电路

3 软件设计

整个系统的工作分为数据采集、数据处理与控制及数据的发送和接收等几部分.该系统对数据处理的实时性要求不高，数据采集周期比较长，为了降低系统功耗，设定采样周期为30分钟采样一次，再对数据进行处理和传输.

程序的流程是由传感器的时序决定的，采用定期采样，采集方式为IIC.温湿度传感器的时序图如图6所示.采样采用定时中断方式进行，基于上图时序，其定时中断采样流程图如图7所示.

图6 HIH-6130时序图

图7 定时采样流程图

数据采集进来之后，MCU要对数据进行处理，并把接收到的数据通过LoRa模块传输给上位机.对采样得到的数据，满足风机启动条件，则会起动风机；或者满足风机停止条件，会停止风机.数据处理控制流程图和LoRa无线传输流程图分别如图8、9所示.为了保证发送和接收数据的可靠性，对发送、接收的数据进行CRC验证，只有验证正确的数据才被接收和发送，CRC验证不正确的数据将被舍弃.

图8 数据处理控制流程图

图9 LoRa无线传输流程图

4 实验结果

为了验证方案的可行性，制作了一套样机进行温湿度检测、控制及数据发送.实验采用DS18B20温度传感器进行级联，模拟粮食内部温度信号采样，用HIH-6130采集环境温湿度信号，采用STM8S103作为处理器，采用以SX1278为核心的LoRa模块进行数据的接收发送，测得数据如表1所示.

表1 温湿度数据采集及数据传输、控制实验数据表

从数据表可以看出，第一次的数据全部为正常数据，系统没有达到通风条件，风机停止、风口关闭；第二次的数据由于有一个点的温度偏高，达到了风机启动条件，环境温湿度在允许通风条件下，通风口开启、风机启动，系统进行通风；第三次的数据虽然有一个点的温度过高，由于环境湿度过高，不满足通风条件，系统处于风机停止、风口关闭状态.通过实验结果可知，所设计的系统温湿度采样精度高，数据传输可靠，控制性能良好.

5 结语

所设计的基于LoRa平台的智能仓储控制系统，在原有系统基础上，采用LoRa无线传输平台，对采样数据进行无线远程传输，节省大量的数据传输电缆，提高了数据传输可靠性.在数据采样处理基础上对通风系统实现了智能控制，根据实时采集情况自主进行通风口的打开与关闭并控制风机的启动和停止，节省了大量人力物力.经过实验验证，该系统运行可靠，数据采集精度高，具有很好的推广应用价值.